[ZYNQ] Linux Linaro系统镜像制作SD卡启动

https://github.com/carloscn/blog/issues/39

ZYNQ的Linux Linaro系统镜像制作SD卡启动

0. 概述

ZYNQ生成uboot的时候和正常的ARM设备不太一样，ZYNQ属于二次辅助启动uboot然后由uboot启动内核，大概意思就是 ZYNQ内部有一个机制，该机制不可修改，可以通过拨码开关控制启动方式，比如从SD卡启动还是从QSPI启动，SD卡中要包含uboot的镜像信息。最大的不同就是，uboot编译完还不可以直接使用，还需要使用Vivado设计PL，再用SDK将uboot和设计PL的文件进行合成，最终合成后的文件拷贝到SD卡，由其启动。

我不会FPGA，本文也只概述在Linux端，SD卡如何做，如何制作一个全新的Linux系统。

映像文件BOOT.BIN一般包括：FSBL，Bitstream和SSBL这三个文件，其中Bitstream是配置PL端程序，是可选项，在我们制作Linaro系统的时候并不需要。FSBL是first stage boot loader，文件的制作需要使用Vivado环境；SSBL是Second Stage Boot Loader，这里使用的是Xilinx公司提供的u-boot。

来自参考文献1

1. 环境和材料

1.1 开发环境

  • 软件环境：Vivado 2017.02 Linux版本

  • 系统环境：Ubuntu 16.04 amd64

  • 交叉编译器： gcc-linaro-7.3-2018.05.tar.xz

    我的交叉编译环境放在/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf-下，我编译的时候喜欢指定绝对编译器路径

1.2 准备材料

  • ARM端的linux内核源码：https://github.com/Xilinx/linux-xlnx

  • ARM端的uboot源代码：https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx

  • ARM端的Linaro文件系统：https://releases.linaro.org/archive/12.07/ubuntu/precise-images/ubuntu-desktop/linaro-precise-ubuntu-desktop-20120723-305.tar.gz (我用的是ubuntu 12.07)

2. 制作uboot

2.1 编译uboot

  • 获取xilinx的uboot源码：git clone https://github.com/Xilinx/u-boot-xlnx.git

  • 清除编译：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm clean

  • 配置板级信息：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm zynq_zc702_defconfig 板级信息在如图所示位置，我的是zc701的板子，但是没有，我就选择一个和这个最相近的。

  • menuconfig写入配置信息：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm menuconfig

  • 编译uboot：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm -j8

  • 编译成功后生产的是uboot，所以需要重命名uboot： mv uboot uboot.elf

拿到uboot.elf后，留存备用，再合成最终的boot程序需要这个uboot.elf文件。

2.2 FSBL、bit文件的制作

大体流程就是：用Vivado这个软件新建工程，然后添加ip设计，配置时钟、配置一些Linux需要的基本外设（SD卡卡、串口、以太网等），使用wrap HDL功能生成顶层设计.v文件，然后编译.v文件生成.bit文件，再生成硬件描述文件，launch SDK软件，会自动生成一个工程，编译后拿到fsbl文件。

具体过程很多博友都已经写的很清楚了，我这里贴出一个讲的比较好的，可以按照这个方法做：在未来的多核通信机制里面，PS和PL的通信，则PL文件就是这样设计好之后然后我们重新合成uboot文件。

https://blog.csdn.net/long_fly/article/details/78643258

我们通过这样的方式拿到vivado编译生成的bit文件，并且在SDK里面建立了工程，生成了一个硬件平台，接下来我们获取fsbl这个文件。fsbl文件需要在SDK里面建立一个FSBL工程，并且基于刚才我们生成的硬件平台。

建立完之后直接编译，就可以拿到fsbl文件。

到目前位置，拿到了：

  • vivado编译生成的：bit文件

  • sdk生成的：fsbl文件

  • 刚刚编译uboot生成的：uboot.elf文件

可以开始合成BOOT.bin文件了

2.3 合成BOOT.bin

这个操作还是在sdk软件里面进行。

使用create boot image功能：

到此完成BOOT.bin的合成。

2.4 文件权限（仅限Linux开发用户）

还有一个非常重要的事情，我试了很多次，zynq平台就是不启动，uboot也不输出任何的信息。这个小小的问题卡了我很久，不过在今天早上洗漱的时候，突然想到，Xilinx Vivado和SDK都是在root情况下启动，生成BOOT.bin也是可能有权限问题。所以....

我拿到板子，然后在SD卡里面，给定sudo chmod 777 BOOT.bin 然后弹出SD卡，把SD放在ZYNQ上，居然成功启动了。如果你是在Linux系统下，不要忘记给定BOOT.bin权限。

3 Linux内核制作

3.1 Linux内核编译出uImage文件

  • 获取Linux内核：git clone https://github.com/Xilinx/linux-xlnx.git

  • 切换到Linux内核源码目录，开始清理内核：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm clean

  • 配置板级信息：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm xilinx_zynq_defconfig

  • 使用menuconfig写入.config文件：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm menuconfig 进来之后退出就行。

  • 编译内核：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm -j8

  • 制作uImage文件：make CROSS_COMPILE=/opt/toolschain/linaro/bin/arm-linux-gnueabihf- ARCH=arm uImage LOADADDR=0x00008000

  • 编译完成后，在linux-xlnx/arch/arm/boot的uImage文件留着备用。

3.2 制作设备树文件

在linux-xlnx/arch/arm/boot/dts目录内新建zynq-7010.dts文件，文件内容：

/dts-v1/;
/include/ "zynq-7000.dtsi"

/ {
    model = "HLF";
    compatible = "ALINX,zynq", "xlnx,zynq-7000";

    aliases {
        ethernet0 = &gem0;
        serial0 = &uart1;
        spi0 = &qspi;
        mmc0 = &sdhci0;
    };

    memory@0 {
        device_type = "memory";
        reg = <0x0 0x20000000>;
    };

    chosen {
        bootargs = "";
        stdout-path = "serial0:115200n8";
    };

    usb_phy0: phy0 {
        compatible = "usb-nop-xceiv";
        #phy-cells = <0>;
        reset-gpios = <&gpio0 46 1>;
    };
};

&clkc {
    ps-clk-frequency = <50000000>;
};

&gem0 {
    status = "okay";
    phy-mode = "rgmii-id";
    phy-handle = <&ethernet_phy>;

    ethernet_phy: ethernet-phy@0 {
        reg = <0>;
    };
};

&qspi {
    u-boot,dm-pre-reloc;
    status = "okay";
};

切换到内核的主目录里面：./scripts/dtc/dtc -I dts -O dtb -o ./arch/arm/boot/devicetree.dtb ./arch/arm/boot/dts/zynq-7010.dts

然后在linux-xlnx/arch/arm/boot/目录下即可发现devicetree.dtb文件，同样留着备用。

3.3 启动配置文件制作uEnv.txt

随便找个位置新建一个uEnv.txt 文件，文件内写入boot的配置信息：

uenvcmd=run linaro_sdboot

linaro_sdboot=echo Copying Linux from SD to RAM... && \
fatload mmc 0 0x3000000 ${kernel_image} && \
fatload mmc 0 0x2A00000 ${devicetree_image} && \
if fatload mmc 0 0x2000000 ${ramdisk_image}; \
then bootm 0x3000000 0x2000000 0x2A00000; \
else bootm 0x3000000 - 0x2A00000; fi

bootargs=console=ttyPS0,115200 root=/dev/mmcblk0p2 rw earlyprintk rootfstype=ext4 rootwait

保存，留着备用。

4 SD卡制作

准备一张空白的超过8G的SD卡，读卡器读取该卡，我们使用Linux系统进行格式化，Windows用户可以通过diskgen等格式化分区的软件制作也好。

  • 查看SD卡格式化分区：sudo fdisk -l 假如查看到的SD卡是/dev/sde分区，（不要格式化错了，在我年轻的时候我曾经把整个硬盘都格式化了，很危险的操作，看清楚是/dev/sd* 后面是c 还是d还是e还是f）。

  • 进入分区管理：sudo fdisk /dev/sde

  • 以下步骤按照这个OMAPL138制作SD卡启动盘及重装Linux系统，我的这个博客来。注意不同的是，我们建立启动分区的大小是100M即可，创建boot的分区的类型也为Linux。

  • 然后格式化boot分区：sudo mkfs.vfat -F 32 -n "boot" /dev/sde1

  • 格式化rootfs分区：sudo mkfs.ext4 -L "rootfs" /dev/sde2

    到此我们完成了SD卡制作。

5 烧写SD启动卡

  • sd卡的boot分区：使用命令将 BOOT.bin / devicetree.dtb / uImage / uEnv.txt 四个文件拷贝到boot分区。

  • 解压Linaro的文件系统： 在第一章写的 ARM端的Linaro文件系统：linaro-precise-ubuntu-desktop-20120723-305.tar.gz 解压到SD卡的root分区

    sudo tar --strip-components=3 -C /media/delvis/rootfs -xzpf linaro-precise-ubuntu-desktop-20120723-305.tar.gz binary/boot/filesystem.dir

  • 最好找一个带知识灯的读卡器，解压命令执行完了，不代表SD卡写入完毕，如果有指示灯，指示灯不闪烁之后弹出SD卡。

到此，一个完整的Linaro系统就写入了SD卡，将FPGA板子的boot拨码开关拨到SD卡启动位置，就可以看到Linaro系统启动了。

参考文献：

[1] long_fly, ZYNQ跑系统 系列（一） 传统方式移植linux, 2017年11月28日

[2] 雅可, Zedboard上运行Linaro系统（二）:生成BOOT.BIN, 2016年07月26日

[3] 带你高飞, 03-ZYNQ学习（启动篇）之程序的固化, 2018年05月22日

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